چگونه بیوچار بتن را به یک جاذب کربن تبدیل می‌کند

بتن تقریباً تمام بخش‌های محیط ساخته شده مدرن را شکل می‌دهد، از فونداسیون یک خانه تک‌خانواری گرفته تا راهروی منتهی به آن. با این حال، هزینه زیست‌محیطی سرسام‌آوری دارد. تولید سیمان – عامل چسباننده در بتن – نیازمند حرارت دادن سنگ آهک تا دماهای بسیار بالا است، فرآیندی که مقادیر زیادی دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند. در سطح جهانی، تولید سیمان مسئول تقریباً هشت درصد از کل انتشار کربن ناشی از فعالیت‌های انسانی است. برای دهه‌ها، صاحبان خانه‌های آینده و سازندگان مسکونی مجبور بودند این ردپای کربن سنگین را به عنوان هزینه‌ای اجتناب‌ناپذیر برای ساخت سازه‌های بادوام بپذیرند. اما موجی از پیشرفت‌های اخیر در علم مواد آماده است تا این معادله را بازنویسی کند و فونداسیون یک خانه را از یک بدهی اقلیمی به یک جاذب کربن فعال تبدیل کند.[3][7]

کاتالیزور این تغییر، بیوچار است؛ یک ماده بسیار متخلخل و غنی از کربن که از طریق حرارت دادن ضایعات آلی – مانند بقایای کشاورزی یا جلبک – در محیطی بدون اکسیژن تولید می‌شود. این فرآیند که به نام پیرولیز شناخته می‌شود، از تجزیه مواد آلی و بازگشت کربن آن به جو جلوگیری می‌کند. در عوض، کربن در یک ساختار پایدار شبیه زغال چوب قفل می‌شود که می‌تواند هزاران سال دوام بیاورد. هنگامی که محققان و مهندسان این بیوچار را در مخلوط‌های بتن ادغام می‌کنند، چه به عنوان جایگزینی برای چسباننده سیمانی پرکربن یا به عنوان جایگزینی برای سنگدانه‌های ماسه‌ای سنتی، ماده حاصله به طور دائمی آن کربن را در داخل دیوارها و کف ساختمان حبس می‌کند.[3][5]

تا همین اواخر، مانع اصلی برای بتن بیوچار، یکپارچگی ساختاری بود. تلاش‌های اولیه برای مخلوط کردن بیوچار با سیمان نشان داد که افزودن حتی سه درصد از این زغال چوب، مقاومت فشاری بتن را به شدت کاهش می‌دهد و آن را برای فونداسیون‌های مسکونی باربر بی‌فایده می‌سازد. با این حال، محققان در دانشگاه ایالتی واشنگتن (Washington State University) اخیراً فرمولی را توسعه دادند که این محدودیت را برطرف می‌کند. با پیش‌تیمار بیوچار در فاضلاب شستشوی بتن، تیم مهندسی توانست تا ۳۰ درصد بیوچار را به مخلوط سیمان خود اضافه کند. خمیر حاصله پس از ۲۸ روز به مقاومت فشاری ۴۰۰۰ پوند بر اینچ مربع رسید – که با عملکرد سیمان معمولی مطابقت دارد – در حالی که تا ۲۳ درصد از وزن خود دی‌اکسید کربن را از هوا جذب می‌کند.[1]

پیشرفت‌های مشابهی در سراسر محیط‌های دانشگاهی در حال ظهور است که بر زنجیره‌های تأمین محلی و پایدار تمرکز دارند. در دانشگاه میامی، یک تیم مهندسی برنده جایزه در حال توسعه بتن کربن منفی با استفاده از بیوچار مشتق شده از جلبک بومی فلوریدا هستند. محققان با عامل‌دار کردن شیمیایی سطح بیوچار جلبکی، اتصال آن با سیمان را بهبود بخشیدند. سپس ماده را پیش‌کربناته کردند و آن را به یک مخزن داخلی تبدیل کردند که کربن را در طول فرآیند هیدراتاسیون سیمان به شکل جامد کربنات کلسیم جذب و ذخیره می‌کند. برای سازندگان محلی، این به معنای یک ماده با عملکرد بالا است که قابلیت کار در محل کار را حفظ می‌کند در حالی که انتشار خالص کربن را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.[4]

گذار از تحقیقات آزمایشگاهی به ساخت و ساز تجاری خانه‌ها در حال انجام است. نوآوران تجاری مانند «ویکفیلد بیوچار» (Wakefield BioChar) نشان داده‌اند که بیوچار مهندسی شده می‌تواند در واقع خواص مکانیکی مصالح ساختمانی را بهبود بخشد. در آزمایش‌های آزمایشی، جایگزینی بخشی از سیمان با بیوچار تخصصی، مقاومت فشاری و دوام بتن را افزایش داد. برای یک پیمانکار مسکونی که فونداسیون جدیدی می‌ریزد، این به معنای یک پایه قوی‌تر است که در مجموع به مواد کمتری نیاز دارد. علاوه بر این، از آنجایی که ردپای کربن بیوچار به شدت منفی است، مخلوط نهایی بتن به مشخصات انتشار خالص منفی دست می‌یابد و فعالانه کربن بیشتری را از جو حذف می‌کند تا آنچه در طول تولید آن منتشر شده است.[2]

بازیگران اصلی صنعت، مقیاس‌پذیری این رویکرد را برای بخش مسکونی به رسمیت می‌شناسند. شرکت جهانی تولید مصالح ساختمانی «هولسیم» (Holcim) اخیراً با «آلخاندرو آراونا» (Alejandro Aravena)، معمار برنده جایزه پریتزکر، همکاری کرد تا نمونه اولیه مسکونی در مقیاس کامل را با استفاده از مخلوط بتن بیوچار با انتشار خالص صفر معرفی کند. این پروژه که در دوسالانه معماری ونیز رونمایی شد، نشان داد که چگونه فناوری بیوچار می‌تواند در مسکن افزایشی به کار رود – ارائه اجزای ساختاری پیش‌ساخته ضروری که به ساکنان اجازه می‌دهد خودشان ساخت خانه خود را به پایان برسانند. این پروژه با اثبات اینکه بتن بیوچار می‌تواند نیازهای سرعت، مقیاس و هزینه بازار جهانی مسکن را برآورده کند، نشان‌دهنده تغییری به سمت پذیرش جریان اصلی است.[6]

فراتر از مزایای انتزاعی اقلیمی، بتن بیوچار مزایای ملموسی را برای صاحب خانه فراهم می‌کند. ساختار سلولی بسیار متخلخل بیوچار، آن را به یک محیط فوق‌العاده کارآمد برای به دام انداختن هوا و تنظیم رطوبت تبدیل می‌کند. هنگامی که مواد تقویت شده با بیوچار در پوشش ساختمان گنجانده می‌شوند، رسانایی حرارتی بسیار پایینی از خود نشان می‌دهند و عملاً به عنوان عایق داخلی عمل می‌کنند. این به تنظیم دمای داخلی کمک می‌کند و وابستگی به سیستم‌های گرمایش و سرمایش تهاجمی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، توانایی این ماده در جذب و آزادسازی رطوبت می‌تواند کنترل رطوبت داخلی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و محیط زندگی راحت‌تری ایجاد کند، در حالی که خطر رطوبت در زیرزمین‌ها و سازه‌های طبقه همکف را کاهش می‌دهد.[5]

از آنجایی که شهرداری‌ها و دولت‌های ایالتی به طور فزاینده‌ای کدهای ساختمانی سبز سخت‌گیرانه‌ای را اتخاذ می‌کنند و روش‌های ساخت و ساز پرکربن را جریمه می‌کنند، بتن بیوچار یک مسیر عملی رو به جلو برای بازار املاک و مستغلات مسکونی فراهم می‌کند. این به سازندگان اجازه می‌دهد تا الزامات سختگیرانه جدید پایداری را بدون کنار گذاشتن خواص آشنا و بادوام بتن سنتی برآورده کنند. برای نسل بعدی خریداران خانه، ادغام بیوچار به این معنی است که انتخاب یک خانه تازه ساخته شده دیگر نیازی به مصالحه بین انعطاف‌پذیری ساختاری و مسئولیت زیست‌محیطی ندارد. در عوض، دیوارها و فونداسیون‌های خود خانه به یک راه‌حل اقلیمی دائمی و کاربردی تبدیل می‌شوند.[3][7]